多媒体教室亮度对比值及主观评价调查研究

何 伟，杨春宇，梁树英

(重庆大学建筑城规学院，重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045)

引言

根据教育部信息[1]，截至2020年8月，全国中小学(含教学点)互联网接入率达到98.7%，配备多媒体教学设备普通教室达到402.8万间，93.1%的学校已拥有多媒体教室，其中74.2%的学校实现多媒体教学设备全覆盖。多媒体教室光环境比传统教室更复杂，传统教室空间内影响学生视觉功能的因素包括照度、亮度、眩光、颜色、亮度对比以及识别对象的特征等，在多媒体教室教学过程中，教室将PPT课件内容展现在投影屏幕进行教学，屏幕亮度不断变化，学生在学习过程中需要不断调节视觉器官来辨识目标，多媒体教室光照环境的亮度对比是教室照明质量的重要参数并直接影响人的视看效果[2]。教室环境亮度对比值不合适将导致学生用眼疲劳、视觉效率下降、影响学生注意力集中和学习效率，教室空间光照亮度环境与学生视力健康有密切关系[3,4]，不合适的教室光照环境是引起学生视觉疲劳、产生视力不良的主要因素[5,6]。教育部发布的报告显示，青少年学生视力不良问题持续突出，并且呈逐年上升态势[7,8]，国家卫健委公布的一组数据显示，2018年全国儿童青少年总体近视率高达53.6%，其中，6岁儿童近视率为14.5%，小学生为36%，初中生为71.6%，高中生为81%，如图1所示。

图1 全国青少年近视率 Fig.1 The detection rate of impaired vision among students

青少年视觉健康问题严重影响青少年的身心健康和生活质量，已经成为关系国家和民族未来的重大公共卫生问题，受到社会各界的广泛关注。2018年教育部、国家卫健委等八个部委联合发布了《综合防控儿童青少年近视实施方案》，明确要求将“改善学校视觉环境”作为青少年近视防控重要内容。2019年教育部、国家卫生健康委员会印发《关于开展2019年托幼机构、校外培训机构、学校采光照明“双随机”抽检工作的通知》，将对学校教室等场所的采光和照明以“双随机”方式进行抽检、记录并公布，多媒体教室的光照环境尤为重要。

1 亮度对比值

多媒体教学过程中，学生的主要视看区域包括投影幕布、黑板、教室环境(白墙)及桌面，投影幕布是主要的视觉目标，黑板、教室白墙为视觉背景。亮度对比是视觉目标和背景之间的亮度差异，亮度对比值越大，视觉目标越清晰可见。视觉目标与背景的亮度对比值是影响视觉目标视觉功效水平和视觉目标清晰程度的重要因素，不适合的亮度对比值会增加学生视觉疲劳程度。因此，视觉目标和背景的亮度对比值是影响多媒体教室光照环境质量的主要因素。亮度对比度C是视野中目标和背景的亮度差与背景亮度的比值：

其中：Lt为视觉目标亮度，单位为cd/m2；Lb为视觉背景亮度，单位为cd/m2；ΔL为视觉目标与背景的亮度差。

目前国家标准还没有关于教室亮度变化比值的规定。上海市发布的《中小学校及幼儿园教室照明设计规范》(DB31/T 539—2020)规定了教室内作业面照度值与邻近周围照度值的关系，见表1[9]。国家标准《城市轨道交通》规定白天车站出入口内外亮度变化，宜按1:10～1:15取值，夜间车站出入口内外亮度变化，宜按2:1～ 4:1取值[10]。为了获得良好的视觉功效和视觉舒适性，北美照明学会指出，人眼直接观看的目标表面的亮度与其周围环境表面的亮度比值不应大于5:1。陈超中等[11]认为，视觉面本身与其直接背景的亮度比应小于3:1，在视看面的周边，相邻近的物体表面亮度差值应保持尽可能小。

表1 中小学校及幼儿园教室照明邻近周围照度值与作业面照度值的关系(数据来源：根据文献绘制[9])Table 1 The relationship between the illuminance value of the adjacent surroundings and the illuminance value of the work surface

多媒体教室照明环境现状调查是教室照明研究的依据和前提，本文从多媒体教室现状数据测量和学生对多媒体教室照明环境主观评价两方面进行了调查分析。

2 多媒体教室光照环境调查

2.1 调查方法

选取重庆大学第二综合楼多媒体教室作为调研对象，该教室可以容纳80人，属于中型多媒体教室。测量点位根据《照明测量方法》(GB/T 5700—2008)，采用中心布点法选取测量面区域4个代表性的点位进行测量。测量教室空间亮度分布的实验设备使用校准后的便携式SRC-2光谱彩色亮度计，亮度显示值的相对偏差范围为不大于4%。测量时设备放置的高度距地1.2 m，是标准坐姿时观察者眼睛高度[12]。测量过程中，按照多媒体教学过程中常用的照明模式，分别在打开窗帘和关闭窗帘的情况下，对不同人工照明模式教室空间的亮度值进行了测量，人工照明模式根据教室灯具控制现状分为全部开启、前排灯具关闭和全部关闭3种。投影屏幕教学课件采用常用的白底黑字(宋体，20号)powerpoint课件模板，测量时使用数码相机、记录表对测量过程进行现场记录。

2.2 调查结果

对测得数据进行处理，得出不同光环境模式下投影屏幕、黑板、白墙、桌面的平均亮度，并通过计算得出多媒体教学方式下投影屏幕与黑板、白墙和桌面的亮度对比值，对影响亮度的灯具控制变化因素进行单独效应分析，分别绘制出在打开窗帘和关闭窗帘时不同人工照明模式下投影屏幕、黑板、白墙、桌面的平均亮度变化曲线，如图2和图3所示。

图2 打开窗帘时教室环境亮度Fig.2 The brightness of the classroom environment when the curtains are opened

图3 关闭窗帘时教室环境亮度Fig.3 The brightness of classroom environment when curtains are closed

通过计算得出不同照明模式下多媒体教学方式投影屏幕与黑板、白墙和桌面的亮度对比值，计算得出桌面与黑板的亮度对比值，对影响亮度的灯具控制变化因素进行单独效应分析，不同光环境模式下投影屏幕与黑板、白墙、桌面的亮度对比柱状图，如图4和图5所示。

图4 打开窗帘时教室空间环境的亮度对比Fig.4 The brightness contrast of the classroom space environment when the curtain is opened

图5 关闭窗帘时教室空间环境的亮度对比Fig.5 The brightness contrast of the classroom space environment when closing the curtain

如图4和图5所示，多媒体教室的光照环境在不同照明模式下有非常大差别，主要包括天然光和人工照明影响因素。在开启窗帘且教室人工照明全部开启时，投影屏幕的亮度为181 cd/m2，黑板和墙面的亮度为20～30 cd/m2，屏幕亮度和背景的亮度比值约为7∶1。关闭窗帘时屏幕和背景的亮度比值为8.5∶1，在人工照明全部开启时，打开窗帘和关闭窗帘下教室内投影屏幕与背景的亮度对比值差别不大。在灯具全部关闭且打开窗帘时，投影屏幕与黑板的亮度比值为14∶1，关闭窗帘屏幕与黑板的亮度比值为22∶1，灯具关闭的情况下窗帘对多媒体教室亮度对比值影响较大。调查结果显示，人工照明模式和窗帘模式对多媒体教室光照环境有不可忽视的影响。此外，窗帘对调节教室照度、眩光有重要作用[13]。在多媒体教学过程中，教室人工照明关闭时视觉目标与背景的亮度值较大，投影屏幕与白墙的亮度比、投影屏幕与课桌面的亮度比均不能满足北美照明学会推荐的亮度比值。人眼随着视觉目标和背景亮度的变化不断进行视觉调节，增加了视觉疲劳程度，今后在教室照明的控制策略上应进行更多的研究，提高多媒体教室光照环境质量。

3 主观评价调查

为了解学生对多媒体教室光照环境的主观评价，本文采用问卷方式调查学生对多媒体教室光环境舒适性评价。问卷中的语意差别量表采用5级量表，将多媒体教室光环境舒适亮度评价分为5个等级进行视看舒适度主观评价。问卷主要包含多媒体教室教学过程中常用场景下投影屏幕亮度、屏幕亮度与背景亮度的对比舒适度、教室光环境亮度整体评价等方面，调查结果如图6和图7所示。

图6 投影屏幕亮度主观评价Fig.6 Subjective evaluation of projection screen brightness

图7 投影屏幕与背景亮度对比舒适度评价Fig.7 Comfort evaluation of contrast between projection screen and background brightness

从主观评价调查结果情况来看，认为投影屏幕亮度适宜的比例不到50%，整体上投影屏幕亮度的评价是偏暗，近40%的学生认为投影屏幕的亮度偏暗或过暗，可能增加视觉疲劳程度。在投影屏幕与黑板亮度对比方面，超过20%的学生认为投影屏幕与黑板亮度对比不舒适或非常不舒适，投影屏幕与课桌面亮度对比的调查得到了相似的结果，对多媒体教室光环境的整体评价有47.7%的学生认为一般。多媒体进行教学时，教室光环境的亮度对比对学生视觉舒适度和心理感受有重要影响。

4 结语

随着信息技术与教学的深度融合，多媒体教学已经成为主要的教学模式，关注多媒体教室光环境质量十分必要。通过对多媒体教室照明环境的亮度对比值现状调研发现，人工照明和窗帘控制模式对多媒体教室视觉目标和背景的亮度对比影响较大，在关闭人工照明时投影屏幕与黑板的亮度对比值达到15∶1，视觉目标和背景亮度对比过大不利于视觉舒适性，在多媒体教学时应采用更符合教室光环境变化的控制方法。主观评价显示多媒体教学过程中视觉目标和背景的亮度对比对视觉舒适有较大影响，为今后进行多媒体教室光环境研究提供了参考。